книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

Исходя из того, что боб = 0 с - 0к, и приняв 0= 180°, получим упро­ щенное выражение для р0&

D _ 3 2 ( б с - 0 к ) 0 С

(21)

06" я Ч 4

Учитывая изложенное выше, можно отметить, что наличие сквозно­ го отверстия ведет к снижению давления в приемной камере в сравнении с непроточной камерой, а наличие обратных потоков ведет к повышению давления. Следовательно, для струи с заданными параметрами баланс рас­ ходов (19) позволяет оценить характеристики камеры, в том числе рк.

Давление в камере можно определить из уравнения импульсов в про­ екции на ось струи для выделенного участка ABCDEFGH (см. рис. 7, б):

EF; /схимпульс струи в сечении АВ; /0gxпроекция на ось струи импуль­ са обратного потока (он состоит из обратного потока, вытекающего из приемной камеры, и отклоняемого потока); 1т - проекция на ось струи импульса потока через приемную камеру (сечения EF).

Решая (22) относительно рк, получается:

' ■ - i b ' - t 1- ' - }

может быть вычислен при известном распределении параметров струи. Импульс /кх также может быть вычислен при известном

где

(25)

Структура обратного потока для общего случая в настоящее время не исследована. В общем случае можно записать

2 1

однако t/об и 0об неизвестны, поэтому необходимо ввести поправочный ко­ эффициент

и приняв во внимание, что члены уравнения импульсов (22) определяются

можно найти поправку, учитывающую обратный поток:

% = 1 + ^ = 1+ Р-<?)2 ■'сх (г2 - 1 ) '

Таким образом, давление в приемной камере

(28)

Подводя итог сказанному выше, следует отметить, что давление в полости кратера определяется как характеристиками струи, так и формой и размерами полости кратера и диаметром сквозного отверстия. Кроме то­ го, в полости кратера добавляется статическое давление сжатой дуги р 0. Статическое давление в столбе дуги слагается из магнитного «пинчэффекта» и избыточного давления, которое в рассматриваемом случае рав­ но атмосферному. Это давление (р0) может быть рассчитано, если известен закон изменения плотности тока j(r). Для параболической зависимости распределения тока по радиусу дуги

Д '- W o O - p O

статическое давление на оси

Ро(0) = Но 512 4яЗяЛ *

2 2

Это давление зависит от параметров режима сварки и не зависит от параметров полости кратера.

1.3.Тепловой баланс сжатой дуги

Распределение теплового потока сжатой дуги определяет эффектив­ ность плазменных процессов и работоспособность плазмотрона. В общем виде тепловой баланс сжатой дуги можно представить формулой

где Л(д - тепловая мощность сжатой дуги; Nn- мощность (теплота), погло­ щаемая плазмотроном, Nn = N3+ Nc; N3- мощность, передаваемая электро­

ду; - мощность, передаваемая плазмообразующему соплу; Noc - мощ­ ность, теряемая в окружающую среду; NH- мощность, передаваемая обра­ батываемому изделию.

Величина N„ для различных процессов достигает 55-80 % мощности сжатой дуги и определяется технологическими параметрами процесса (/д, С/д, Qn, hCH), а также геометрическими параметрами плазмотрона (</с, hc,

Аэс). Величина Nn может составлять 20-45 % мощности сжатой дуги. Поте­ ри в окружающую среду составляют 3-10 %.

Мощность, передаваемая плазмотрону, идет на его нагрев. Для обес­ печения работоспособности плазмотрона это тепло необходимо отводить. Для этого плазмотрон снабжается системой охлаждения (водяное или газо­ вое).

Распределение тепловой нагрузки между электродом и плазмообра­ зующим соплом неравномерное и, в зависимости от полярности, определя­ ется из следующих условий:

где NK, ЛСа, Nc - тепловая мощность, выделяемая на катоде, аноде и сопле соответственно, Вт; ик, иакатодное и анодное падение напряжения, В; <рк, Фа - работа выхода электрона из катода и из материала анода, эВ; /д - ток дуги, А; Ес - напряженность столба дуги, расположенного внутри плазмо­ трона В/мм; /с, /кс ~ протяженность досоплового и соплового участков столба дуги соответственно, мм; к = 0,1...0,25 определяется составом и расходом плазмообразующего газа. Для детальной оценки тепловой обста­ новки внутри плазмотрона необходимо рассмотреть особенности теплово­ го баланса на электроде-катоде и электроде-аноде при работе плазмотрона на прямой и обратной полярности соответственно.

2 3

U.l . Оценка теплового баланса на электроде-катоде при работе плазмотрона на прямой полярности

Схематично тепловая обстановка на катоде, представляющем вольф­ рамовый пруток, закрепленный в водоохлаждаемом электрододержателе, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Тепловой баланс на электроде­ катоде: q& - тепловой поток, выделяемый в катоде, q\ - тепловой поток от катодной об­ ласти, qt - тепловой поток работы выхода

элеюронов, qx - тепловой поток, отводи­ мый теплопроводностью, qK- тепловой по­ ток, отводимый конвекцией, qp- тепловой поток, отводимый радиацией

Пусть по катоду течет ток /.Т ак как удельное сопротивление вольф­ рама зависит от температуры, обозначим его р(7), напряженность электри­ ческого поля изменяется по длине катода. Распределение температуры по длине катода обозначим T(z).

При площади поперечного сечения катода S и электрическом сопро­ тивлении единицы длины катода Rfa) (Ом-см) на единицу длины выделя­

Кроме того, катод нагревается в результате дуговых процессов на конце электрода.

Охлаждение катода связано с четырьмя физическими процессами:

1. Теплота уходит в охлаждаемую оснастку за счет теплопроводно сти. Коэффициент теплопроводности вольфрама \(Т) зависит от темпера­

2 4

туры. Температуру катода в сечении Z2 будем считать заданной (измерен­ ной с помощью термопары) и обозначим ее 7*2.

2. Теплота излучается с боковой поверхности в окружающее про странство, которое можно считать прозрачным для излучения. Согласно закону Стефана-Больцмана тепловой поток излучения (Вт/м2):

где Со = 5,67"® Вт/(м2 К4); е - степень черноты поверхности катода. Гради­ ентом температур по сечению катода пренебрегаем вследствие его малой толщины, поэтому можно считать, что теплоту теряет в целом весь катод. Количество теплоты Np (Вт/м2), теряемое катодом в единицу времени, оп­ ределяется по формуле

так как площадь боковой поверхности единичного объема катода состав­ ляет 2яrh/nr2h = Hr.

3. Теплота уносится с боковой поверхности единичного объема кон­ вективными потоками защитного газа. Тепловой поток (Вт/м2) при конвек­

где а к - коэффициент конвективной теплоотдачи; Тг - температура защит­ ного газа.

Количество теплоты NK(Вт/м2), теряемое катодом в единицу време­ ни, определяется по формуле

4. Теплота теряется в области активного пятна дуги за счет элек­ тронной эмиссии; многочисленными экспериментами установлено, что в широком диапазоне токов температура в области активного пятна состав­ ляет 3000-3400 К, поэтому с погрешностью, не превышающей 7 %, темпе­ ратуру катода Т\ при z = 0 можно считать заданной и равной 3200 К.

Таким образом, распределение температуры в катоде описывается уравнением:

с граничными условиями TQ= Ti\ T(z2) = Т2 ; T=j[z).

25

Излучение с поверхности анода при Т <1353 К (температура плавле­ ния меди) при е = 1 не превышает qp < 1,9*10-2 кВт/CM2, что является пре­ небрежительно малой величиной. В действительности температура анода вблизи рабочей зоны не превышает 523 К. По причине низкой температу­ ры анода, сосредоточенности активного пятна вблизи осевой части торца анода с учетом структуры газовых потоков в плазмотроне можно отметить малое влияние конвективного теплообмена на общий тепловой баланс на аноде. В итоге уравнение теплового баланса на аноде предельно упрощается:

Таким образом, при работе плазмотрона на обратной полярности те­ пловая нагрузка на плазмообразующее сопло определяется в основном те­ плопередачей от сжатой дуги. Анод практически не участвует в теплооб­ мене с плазмообразующим соплом.

Следует помнить, что предложенная модель энергетического баланса на аноде содержит ряд упрощающих допущений, поэтому количественные результаты являются достаточно приближенными. Тем не менее эта мо­ дель достаточно убедительно обосновывает разницу в тепловложении в плазмообразующее сопло при работе плазмотрона на прямой и обратной

2 7

полярности при прочих равных условиях, полученную экспериментальным путем.

2.ПЛАЗМОТРОНЫ

Центральным звеном плазменных установок является плазменная горелка (или плазмотрон), обеспечивающая возбуждение и стабилизацию горения плазменной дуги. Многообразие процессов плазменной обработки материалов определяет различие конструкций плазмотронов. Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью техниче­ скими решениями. Факторы, влияющие на конструктивные особенности плазмотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (рис. 11). На схеме показаны основные определяющие факторы, которые, в свою очередь, включают в себя множество дополнительных.

За период практического применения плазменной сварки, состав­ ляющий порядка 40 лет, разработано большое количество конструкций плазмотронов (речь идет о дуговых плазмотронах), см. патентную литера­ туру Кл. В23К9/00; 9/16; 10/00; 15/00; 16/00; 28/00.

По способу получения электрического разряда плазмотроны делятся на дуговые и высокочастотные.

В общем виде основными элементами дуговых плазмотронов явля­ ются: электрододержатель с электродом (катод или анод); камера для плазмообразования; плазмообразующее сопло, формирующее сжатую дугу или плазменную струю; изолятор, их разделяющий; вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего, защитного газов и охлаждающей жидкости. При разработке плазмотронов должны учитываться не только основные факторы (см. рис. 11), но и некоторые физические характеристики, такие как мощность (или максимальный ток), надежность, срок службы отдельных элементов, возможность двойного дугообразования, способы токоподвода, способы возбуждения сжатой дуги, воспроизводимость и управляемость параметрами сжатой дуги или плазменной струи и др.

Общими требованиями при конструировании плазмотронов являются:

1.Достаточная мощность и широкий диапазон регулирования сва­ рочных параметров.

2.Создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обеспечение постоянства их в процессе сварки.

3.Обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой ду­ ги (плазменной струи).

4.Надежность и значительный ресурс работы.

5.Простота конструкции, обслуживания и эксплуатации.

2 8

Рис. 11. Факторы, влияющие на конструкцию плазменной горелки

6.Минимальные габариты и масса, обеспечивающие возможность сварки в труднодоступных местах и различных пространственных положениях.

7.Универсальность, легкость перенастройки.

8.Экономичность изготовления, минимальная материалоемкость, минимальное использование дорогостоящих материалов.

9.Возможность восстановления горелок при отработке ими ресурса или аварийном выходе из строя в условиях предприятий-потребителей и ряд других.

Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод о том, что разра­ ботка плазмотронов является сложной и многоплановой задачей.

Классификация плазмотронов представлена на рис. 12.

3 0